新工科背景下“數(shù)字電路與Verilog設(shè)計(jì)”教學(xué)改革

蔡苗 蔡紅娟 周斌

摘 要 基于技術(shù)發(fā)展、課程建設(shè)、能力培養(yǎng)的需要，以夯實(shí)理論基礎(chǔ)、強(qiáng)化學(xué)生的現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用能力為目標(biāo)，將傳統(tǒng)數(shù)電課程與EDA課程進(jìn)行整合，從課程整合原則、課程設(shè)置目的、Verilog教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)安排、教學(xué)方法等方面深入闡述了“數(shù)字電路與Verilog設(shè)計(jì)”課程改革方案。經(jīng)兩輪試點(diǎn)驗(yàn)證，獲得了良好的教學(xué)效果，具備一定的科學(xué)性和較強(qiáng)的推廣性。

關(guān)鍵詞 數(shù)字電路 硬件描述語言 建模 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G424?????????????????????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ???DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.07.056

Teaching?Reform?of?"Digital?Circuit?and?Verilog?Design"

in?the?Background?of?New?Engineering

CAI?Miao，?CAI?Hongjuan，?ZHOU?Bin

（WuChang?Shouyi?University，?Wuhan，?Hubei?430064）

Abstract Based?on?the?needs?of?technology?development，?curriculum?development，?and?capacity?development，?with?the?goal?of?strengthening?the?theoretical?foundation?and?strengthening?students?'ability?to?apply?modern?electronic?technology，?traditional?digital?electricity?courses?are?integrated?with?EDA?courses.?From?the?principles?of?curriculum?integration，?the?purpose?of?curriculum?setting，?the?design?of?Verilog?teaching?content，?teaching?arrangements，?and?teaching?methods，?the?reform?plan?of?"Digital?Circuit?and?Verilog?Design"?was?elaborated?in?depth.?After?two?rounds?of?trial?verification，?good?teaching?results?were?obtained，?and?it?has?a?certain?degree?of?science?and?strong?generalization.

Keywords digital?circuit;?Verilog?HDL;?modeling;?teaching?reform

0?引言

2017年復(fù)旦共識(shí)、天大行動(dòng)、北京指南，奏響了新工科建設(shè)的序曲。筆者所在高校為“應(yīng)用型本科”，著力培養(yǎng)學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)理論功底、較硬的專業(yè)核心能力、較強(qiáng)的工程應(yīng)用能力。順應(yīng)新工科建設(shè)的需要，以O(shè)BE為導(dǎo)向，筆者所在高校也進(jìn)陸續(xù)行了培養(yǎng)方案、培養(yǎng)計(jì)劃、課程體系的調(diào)整。在制定人才培養(yǎng)方案時(shí)，更注重學(xué)科交叉、學(xué)科融合、系統(tǒng)級(jí)的綜合實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力及自學(xué)能力的培養(yǎng)。在這種背景下，專業(yè)基礎(chǔ)課程的建設(shè)顯得比以往更加重要。

電子技術(shù)相關(guān)課程是電類專業(yè)十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，基于技術(shù)發(fā)展、課程建設(shè)、能力培養(yǎng)的需要，筆者所在的電子系圍繞傳統(tǒng)與現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)踐能力培養(yǎng)一體化的思路，將傳統(tǒng)數(shù)電課程與EDA課程融合，加大實(shí)踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)力度，重構(gòu)了課程體系。

1?傳統(tǒng)電子技術(shù)類課程教學(xué)的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的電子技術(shù)課程包括“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”（后簡(jiǎn)稱為數(shù)電）、“模擬電子技術(shù)”、“電子線路實(shí)驗(yàn)”、“電子線路課程設(shè)計(jì)”，注重培養(yǎng)學(xué)生電路搭建、故障查處、儀器使用等專業(yè)基礎(chǔ)核心能力的培養(yǎng);而隨著科技發(fā)展、單位用人需求，學(xué)生的現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)踐能力需加強(qiáng)，而這塊的能力只在大三的“EDA技術(shù)”課程中得到培養(yǎng)，時(shí)間較晚且學(xué)時(shí)較少;原有的電子技術(shù)課程體系在設(shè)置時(shí)，傳統(tǒng)與現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)踐能力的培養(yǎng)自成一體，缺乏連貫性、系統(tǒng)性;再者，EDA技術(shù)教學(xué)內(nèi)容在安排上，有部分內(nèi)容與數(shù)電知識(shí)重復(fù)，而這部分學(xué)時(shí)可以轉(zhuǎn)移為實(shí)踐教學(xué)。為了解決傳統(tǒng)教學(xué)當(dāng)中存在的不足，急需進(jìn)行課程體系的改革。

2?按照現(xiàn)代電子技術(shù)能力一體化培養(yǎng)，重構(gòu)課程體系

以夯實(shí)理論基礎(chǔ)、強(qiáng)化學(xué)生的現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用能力為目標(biāo)，以學(xué)生現(xiàn)代電子技術(shù)能力培養(yǎng)為主線，按照“電子技術(shù)基礎(chǔ)理論及實(shí)驗(yàn)、電子線路課程設(shè)計(jì)、EDA課程設(shè)計(jì)”三位一體的教學(xué)模式，將涉及到的課程進(jìn)行優(yōu)化整合，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容。課程體系重構(gòu)前后的對(duì)照如表1所示。

（1）將“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”與“EDA技術(shù)”兩門課程融合為“數(shù)字電路與Verilog設(shè)計(jì)”。新課程在原數(shù)電教學(xué)安排的基礎(chǔ)上增加8學(xué)時(shí)的理論教學(xué)和8學(xué)時(shí)的附屬Verilog實(shí)驗(yàn)。原“EDA技術(shù)”課程中，可編程邏輯器件和硬件描述語言基本語法融入本門課程的理論教學(xué)中;Quartus?II軟件開發(fā)平臺(tái)以及FPGA開發(fā)板的基本使用方法通過課程附屬實(shí)驗(yàn)講解。重構(gòu)的課程體系中，“數(shù)字電路與Verilog設(shè)計(jì)”是教學(xué)改革的立足點(diǎn)，也是重點(diǎn)。

（2）將“電子線路課程設(shè)計(jì)”的內(nèi)容適當(dāng)調(diào)整，設(shè)置項(xiàng)目在安排上，應(yīng)體現(xiàn)對(duì)電子線路實(shí)驗(yàn)和數(shù)電附屬實(shí)驗(yàn)的綜合應(yīng)用，同時(shí)應(yīng)考慮到跟后續(xù)EDA課程設(shè)計(jì)的銜接性，做到對(duì)前課的查漏補(bǔ)缺，以及對(duì)后課的承上啟下。

（3）增加“EDA課程設(shè)計(jì)”，原“EDA技術(shù)”取消，其中專業(yè)應(yīng)用性較強(qiáng)的內(nèi)容通過電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)及EDA課程設(shè)計(jì)這兩門實(shí)踐課程來學(xué)習(xí)。

通過課程體系的整合，來提高課程的系統(tǒng)性、連貫性，增加數(shù)電基本理論與EDA技術(shù)的融入度，增強(qiáng)知識(shí)應(yīng)用性，有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)電子技術(shù)基礎(chǔ)理論的掌握，同時(shí)，在總學(xué)時(shí)變動(dòng)不大的情況下，加大實(shí)踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)力度。

3?數(shù)字電路與Verilog設(shè)計(jì)課程改革方案

3.1?確定課程的整合原則

本課程定位為專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論，具備基本設(shè)計(jì)能力，注重教學(xué)內(nèi)容的理論性和系統(tǒng)性。故而EDA課程在與傳統(tǒng)數(shù)電課程進(jìn)行內(nèi)容優(yōu)化整合時(shí)，應(yīng)側(cè)重于電子技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)能力的獲得，以此為原則，采用實(shí)例驅(qū)動(dòng)的方式優(yōu)化整合課程內(nèi)容。

3.2?明確課程設(shè)置的目的，調(diào)整教學(xué)重點(diǎn)

進(jìn)行課程融合的目的是加深對(duì)數(shù)電基礎(chǔ)知識(shí)的理解，增強(qiáng)知識(shí)的應(yīng)用能力;建立現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般概念，使學(xué)生盡早接觸專業(yè)知識(shí);降低語言建模的學(xué)習(xí)難度;培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。故而，傳統(tǒng)數(shù)電與EDA課程整合時(shí)，應(yīng)將傳統(tǒng)的數(shù)電課程和EDA課程中的部分內(nèi)容進(jìn)行融合，而非簡(jiǎn)單疊加。硬件描述語言只是描述電路的一種方法，在講解語言建模時(shí)，仍應(yīng)側(cè)重設(shè)計(jì)思路的講述。融合后，教學(xué)重點(diǎn)及培養(yǎng)目標(biāo)相應(yīng)的做部分調(diào)整。例如，傳統(tǒng)數(shù)電教學(xué)的重點(diǎn)“培養(yǎng)集成器件的外部特性及應(yīng)用能力”應(yīng)調(diào)整為“器件應(yīng)用能力+數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)思維+語言建模能力”。

3.3?設(shè)計(jì)Verilog?HDL教學(xué)內(nèi)容

原有EDA課程涉及到的硬件描述語言語法眾多，在進(jìn)行課程融合時(shí)，以“實(shí)例驅(qū)動(dòng)、夠用原則”來設(shè)置Verilog部分的教學(xué)內(nèi)容。

（1）通過簡(jiǎn)單介紹PLD的一般概念、設(shè)計(jì)流程、開發(fā)環(huán)境，初步認(rèn)識(shí)現(xiàn)代電子電路設(shè)計(jì)的一般方法。給出一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯電路，展示其門級(jí)建模，對(duì)比模塊、邏輯電路、器件，進(jìn)而講解模塊的基本結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵詞、自定義標(biāo)識(shí)符等，建立對(duì)于可編程邏輯器件及語言建模的宏觀認(rèn)識(shí)。

（2）通過展示組合電路的建模實(shí)例，講解相應(yīng)語法，降低語言的枯燥性，增加應(yīng)用性。例如，以2選1數(shù)據(jù)選擇器為例，通過與邏輯圖比對(duì)，講解結(jié)構(gòu)級(jí)建模及內(nèi)置門級(jí)元件;通過表達(dá)式比對(duì)，講解數(shù)據(jù)流建模及運(yùn)算符、wire型變量等;通過功能表比對(duì)，講解行為級(jí)建模，講解語句塊、敏感事件等。

（3）通過回顧行為級(jí)描述的一般結(jié)構(gòu)，比對(duì)講解敏感事件列表、過程賦值語句，在此基礎(chǔ)上舉例講解觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器的建模。

（4）以4位全加器為例，引出電路的層次結(jié)構(gòu)，講述頂層模塊、低層模塊、實(shí)例引用、位置關(guān)聯(lián)、名稱關(guān)聯(lián)。

（5）Verilog實(shí)驗(yàn)形式分為隨堂實(shí)驗(yàn)和單設(shè)實(shí)驗(yàn)。隨堂實(shí)驗(yàn)講述在quartus下進(jìn)行設(shè)計(jì)的全過程，以及語法錯(cuò)誤的判斷及糾正。單設(shè)實(shí)驗(yàn)圍繞教學(xué)重點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在安排上應(yīng)模塊化，層次化，由淺入深，在加深對(duì)數(shù)電基礎(chǔ)理論的理解的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模塊化的電路設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯設(shè)計(jì)思維。例如，第一次實(shí)驗(yàn)，基本內(nèi)容[1]可以設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的加法器，掌握設(shè)計(jì)輸入、編譯、下載及測(cè)試的全過程，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)帶控制端的顯示譯碼器，擴(kuò)展內(nèi)容為設(shè)計(jì)一個(gè)編碼、譯碼、顯示電路。

3.4?制定教學(xué)安排

考慮到數(shù)字邏輯基礎(chǔ)理論知識(shí)的系統(tǒng)性，結(jié)合以往學(xué)生在傳統(tǒng)數(shù)電課程學(xué)習(xí)過程中對(duì)知識(shí)的接受度以及能力獲得情況，課程內(nèi)容在安排上，將“組合電路的VerilogHDL建模”與“觸發(fā)器及時(shí)序電路的VerilogHDL建模”分別放在“組合邏輯電路設(shè)計(jì)”與“時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)”之后集中講述，隨后8學(xué)時(shí)的單設(shè)實(shí)驗(yàn)分兩次集中開設(shè)。

3.5?充實(shí)教學(xué)方法

采用項(xiàng)目（工程實(shí)例、生活實(shí)例）導(dǎo)入的方式，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。設(shè)置隨堂軟件仿真環(huán)節(jié)，利用Multimsim仿真軟件實(shí)現(xiàn)電路仿真，具化相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)重難點(diǎn)的理解和掌握。對(duì)于重難點(diǎn)內(nèi)容，通過課前預(yù)習(xí)、課中提問、課后周練的方式進(jìn)行強(qiáng)化教學(xué)，鞏固所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題和解決問題的能力。利用信息化學(xué)習(xí)平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)通過實(shí)踐和自學(xué)獲得關(guān)于數(shù)字邏輯的相關(guān)知識(shí)。

4?結(jié)論

將VerilogHDL設(shè)計(jì)融入傳統(tǒng)數(shù)電教學(xué)，語言建模與面包板搭建相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)數(shù)電基礎(chǔ)知識(shí)的理解，增強(qiáng)知識(shí)的應(yīng)用性、系統(tǒng)性，強(qiáng)化學(xué)生傳統(tǒng)與現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)踐能力的培養(yǎng)，同時(shí)使學(xué)生盡早接觸專業(yè)知識(shí)，在大二就建立起現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般概念，此外也降低了語言建模的學(xué)習(xí)難度。課程設(shè)置符合現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展、課程建設(shè)、能力培養(yǎng)的需要，經(jīng)兩輪試點(diǎn)驗(yàn)證，獲得了良好的教學(xué)效果，具備一定的科學(xué)性和較強(qiáng)的推廣性。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡苗，蔡紅娟.信息類專業(yè)平臺(tái)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012.31（9）：144-146.

[2] 蔡苗，蔡紅娟.電類專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法的改革與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2016.38（1）：112-114.

[3] 李培根.主動(dòng)實(shí)踐：培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵[J].中國(guó)高等教育，2006（11）：17-18.

[4] 劉銀萍，陳惠珊.“數(shù)字電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006.25（8）：981-983.

[5] 陳朝暉，王瑛.大學(xué)生創(chuàng)新能力現(xiàn)狀與主動(dòng)實(shí)踐理念探析[J].高教論壇，2008.8（4）：55-57.